一种考虑压剪耦合的温克尔黏土地基地震反应计算方法技术

本发明专利技术属于地震反应分析技术领域，涉及一种考虑压剪耦合的温克尔黏土地基地震反应计算方法，首先对实际工程黏土场地进行原状土取样，获取地基土力学性能参数；在此基础上利用提供的压剪耦合单元本构关系，建立温克尔地基反应计算模型；最后求解地基在竖向重力荷载作用下的静力平衡条件，并以此为初始条件计算地基在地震荷载下的动力反应。与传统温克尔地基计算方法对比，显著地提高了黏土地基地震反应计算的准确度。计算的准确度。计算的准确度。

【技术实现步骤摘要】
一种考虑压剪耦合的温克尔黏土地基地震反应计算方法


[0001]本专利技术属于地震反应分析
，涉及一种计算温克尔黏土地基浅埋基础地震反应的方法，尤其适用于强震作用引起的基低压剪耦合和基础提离等强非线性问题。

技术介绍

[0002]传统的结构抗震分析一般基于刚性地基假设且认为基础固接于地基。然而，强震作用下，结构与地基之间存在相互作用，在软黏土地基条件下尤为显著。黏土地基上的浅埋基础一般可视为刚性体，其在地震作用下呈现水平运动、竖向沉降、摇摆转动。基础水平运动主要引起土体剪切变形从而导致基础滑移，而竖向沉降和摇摆转动主要引起土体压缩变形，可能造成基础提离和不均匀沉降等现象从而导致结构严重倾斜。上述地基土的压缩变形和剪切变形在强震下存在强烈的耦合效应，对地基与结构破坏的影响不可忽略。温克尔地基假设是目前国内外最常用的黏土地基地震反应计算方法。因其建模方法简单、物理意义清晰、计算速度快，深受各国工程师和研究学者青睐。传统温克尔地基反应计算方法仅采用竖向分布弹簧来考虑地基土压缩变形引起的基础竖向沉降与摇摆转动的耦合，却忽略了土体压缩变形与剪切变形之间的耦合；且美国ASCE建筑设计标准采用理想弹塑性双折线模型来描述竖向分布弹簧的力与变形关系，与实际土体的连续光滑非线性行为不符，从而导致地基反应计算结果不准确。因此，有必要提出考虑压剪耦合的温克尔黏土地基地震反应计算方法，真实地描述土体在压剪耦合下的光滑非线性行为，提高该类地基结构地震反应分析的准确度。

技术实现思路

[0003]本专利技术提供了一种考虑压剪耦合的温克尔黏土地基地震反应计算方法，能够有效提高浅基础黏土地基地震反应计算的准确度。
[0004]本专利技术是这样实现的，一种考虑压剪耦合的温克尔黏土地基地震反应计算方法，实现步骤包括：
[0005](1)用黏土取样器对实际工程黏土场地原状土样进行取样；
[0006](2)对所取原状土样进行土工试验，测定其密度ρ、剪切模量G、泊松比ν和抗剪强度S
u
；
[0007](3)根据第(2)步得到的剪切模量，确定压缩地基反应模量分布E
v
和剪切地基反应模量分布E
h
，根据第(2)步得到的抗剪强度，确定竖向地基承载力分布Q
v
和水平地基承载力分布Q
h
；
[0008](4)根据第(3)步得到的地基反应模量分布、地基承载力分布和提供的压剪耦合单元本构函数建立温克尔地基反应计算模型；
[0009](5)根据第(4)步得到的温克尔地基反应计算模型，求解地基在竖向重力荷载作用下的静力平衡条件，并以此为初始条件计算地基在地震荷载下的动力反应。
[0010]进一步地，第(3)步所述的地基反应模量分布计算如公式(1)：
[0011][0012]公式(1)中，b为刚性浅基础半宽度，X为原点固定于基底中点，与基础宽度方向平行的一维水平坐标系；地基承载力分布计算如公式(2)：
[0013]Q
v
＝(π+2)S
u
，Q
h
＝S
u
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0014]进一步地，第(4)步所述的压剪耦合单元本构函数如公式(3)：
[0015][0016]公式(3)中，σ
h
、σ
v
分别为基底某点剪应力、压应力；z
h
、z
v
分别为与土体剪切变形和压缩变形相关的滞回参数，与该点水平位移u
h
和竖向位移u
v
关系如公式(4)：
[0017][0018]公式(4)中，I为单位矩阵，sgn为符号函数，u
hy
＝Q
h
/E
h
，u
vy
＝Q
v
/E
v
，符号上一点表示对时间求一阶导；为考虑基础提离，当计算出某点的σ
v
<0或u
v
<累积塑性竖向位移时，令该点σ
v
＝σ
h
＝0。
[0019]进一步地，第(4)步所述的温克尔地基反应计算模型的力
‑
位移关系如公式(5)：
[0020][0021]公式(5)中，H0、V0、M0分别为基底剪力、基底竖向反力、相对于基底中点的抗倾覆力矩；u、w、θ分别为基底中点的水平位移、竖向位移和转角。
[0022]进一步地，第(5)步所述的地基在竖向重力荷载作用下的静力平衡条件如公式(6)：
[0023][0024]公式(6)中mg为基础及其所承受上部结构重力之和。
[0025]进一步地，第(5)步所述的地基在地震荷载下的动力反应计算控制动力方程如公式(7)：
[0026][0027]公式(7)中h为上部结构质量距基础底部的等效高度，J为基础绕其中心转轴的转动惯量，u
g
为已知地震地表面水平运动，符号上两点表示对时间求二阶导；采用龙格库塔法求解该动力方程即得地基与基础地震反应。
[0028]综上所述，本专利技术的优点及积极效果为：
[0029]现有温克尔地基反应计算方法仅采用竖向分布弹簧来考虑地基土压缩变形，却忽略了土体压缩变形与剪切变形之间的耦合，且设计规范采用理想弹塑性双折线竖向分布弹簧，这与土体从小变形到大变形的连续光滑非线性行为不符，从而导致地基反应计算结果不准确。本专利技术提出压剪耦合单元本构函数来考虑土体压缩变形与剪切变形之间的耦合效应，能够准确地模拟土体变形的光滑非线性行为，有效地提高温克尔地基反应计算的准确度。
附图说明
[0030]图1为本专利技术的计算步骤图。
[0031]图2为本专利技术实施例中的试验布置图。
[0032]图3为本专利技术计算结果与传统方法及试验结果对比图。
具体实施方式
[0033]为了使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚，以下将结合附图及具体实施例进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体施例仅用于解释本专利技术，并不用于限定本专利技术的应用。
[0034]应用实例：
[0035]根据上述考虑压剪耦合的温克尔黏土地基地震反应计算方法的步骤(图1)，对受水平循环反复地震作用的条形基础动态响应进行计算，并与试验结果进行比对验证。如图2所示，本实例土样取自三藩湾，经土工试验测定土样密度为1850kg/m3、剪切模量为13.3MPa、泊松比为0.5、不排水抗剪强度为100kPa；基础半宽度为1.336m、上部结构重365kN；采用位移控制循环往复加载，水平荷载作用有效高度为4.5m。图3对比了本专利技术方法结果、传统忽略压剪耦合方法结果与试验结果。可以看出本专利技术与试验结果较吻合，但传统方法因忽略基底压剪耦合而造成高估基底弯矩、严重低估基础沉降。<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种考虑压剪耦合的温克尔黏土地基地震反应计算方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：(1)用黏土取样器对实际工程黏土场地原状土样进行取样；(2)对所取原状土样进行土工试验，测定其密度ρ、剪切模量G、泊松比ν和抗剪强度S
u
；(3)根据第(2)步得到的剪切模量，确定压缩地基反应模量分布E
v
和剪切地基反应模量分布E
h
，根据第(2)步得到的抗剪强度，确定竖向地基承载力分布Q
v
和水平地基承载力分布Q
h
；(4)根据第(3)步得到的地基反应模量分布、地基承载力分布和提供的压剪耦合单元本构函数建立温克尔地基反应计算模型；(5)根据第(4)步得到的温克尔地基反应计算模型，求解地基在竖向重力荷载作用下的静力平衡条件，并以此为初始条件计算地基在地震荷载下的动力反应。2.根据权利要求1中所述的考虑压剪耦合的温克尔黏土地基地震反应计算方法，其特征在于：第(3)步所述的地基反应模量分布计算公式如下：式中，b为刚性浅基础半宽度，X为原点固定于基底中点，与基础宽度方向平行的一维水平坐标系。3.根据权利要求1中所述的考虑压剪耦合的温克尔黏土地基地震反应计算方法，其特征在于：第(3)步所述的地基承载力分布计算公式如下：Q
v
＝(π+2)S
u
，Q
h
＝S
u
。4.根据权利要求1中所述的考虑压剪耦合的温克尔黏土地基地震反应计算方法，其特征在于：第(4)步所述的压剪耦合单元本构函数公式如下：式中，σ
h
、σ
v
分别为基底某点剪应力、压应力；z
h
、z
v
分别为与土体剪切变形和压缩变形相关的滞回参数，与该点水平位移u
...

【专利技术属性】
技术研发人员：吕洋，
申请(专利权)人：四川大学，
类型：发明
国别省市：